现浇混凝土防渗衬砌渠道裂缝成因分析

□李九鸿 □冉 方 □郑卫云

（原阳县祥符朱引黄灌区管理局）

□牛岗跃（临颍县水利局）

一、概述

农业灌溉用水约占全国总用水量的63%，不论从节水潜力还是用水比重考虑，建设节水型社会的重点是农业灌溉节水，而农业灌溉节水的重点又在大型灌区，大型灌区节水的主要措施之一就是渠道防渗。在大中型灌区骨干工程改造中，混凝土渠道防渗衬砌，由于其适应性广、耐久性好、糙率小，抗冲性能和防渗效果好而成为目前普遍采用的一种节水工程措施，现浇混凝土衬砌渠道更是由于结构缝少、造价低、机械化程度较高而被广泛应用。但运行中发现，约30%的现浇混凝土渠道在5年左右就出现裂缝（严重的1～2年），裂缝漏水不仅削弱了节水效果，减少了使用寿命，而且成为灌溉管理的安全隐患。因此在设计和施工中必须针对裂缝产生的原因，提出相应的对策，以减少裂缝数量和裂缝发生的程度，延长使用寿命，使其发挥更大效益。

二、混凝土现浇渠道裂缝的形式和特点

现浇混凝土衬砌渠道裂缝具有混凝土工程裂缝的共性，又有不同于大体积混凝土裂缝的突出表现。裂缝一经形成，就很难自身愈合。

根据现场调查，渠道裂缝多出现在尺寸较大的现浇混凝土板顺水流方向，缝位一般在渠道坡板坡脚以上1/4～3/4坡长范围内和渠底中部；冬季积水或行水的渠道，一般出现在水面附近的坡板上。这些裂缝多呈弯曲线状，坡板上裂缝严重的呈折断破坏状态。

在现浇混凝土渠道中，温度裂缝和拉裂缝一般呈发散状。裂缝表现为指向渠顶偏离渠坡的法线，这些裂缝往往和基土冻胀同时发生，形成冻胀裂缝。

另外，在东西走向的渠道中，阴、阳两坡裂缝表现有很大的差别，阴坡裂缝较阳坡裂缝更厉害、更复杂。

三、现浇渠道裂缝原因分析

通过多年的观测实践，认为造成裂缝产生的根本原因在于：混凝土由于受自身及外部介质环境的影响，在温度、湿度变化和周边、基础约束的作用下，会产生很大的约束应力，容易产生裂缝；在现浇混凝土渠道衬砌中，水泥混凝土属于薄壁轻型钢性结构，具有较高的抗压强度，但抗拉强度较低，适应拉伸变形和不均匀变形的能力较差。所以，从结构和运行环境分析，现浇混凝土渠道裂缝主要是由冻胀压力及温度应力产生的，局部裂缝问题可能与施工质量和基础稳定性有很大的关系。

（一）冻胀压力：在冻胀力作用下，破坏情况归结起来有下面几种：

1.混凝土防渗材料具有一定的吸水性和空隙率，又经常处在有水的环境中，因此材料内总是会有一定的水分，这些水分在低温下冻结成冰，体积发生膨胀，当膨胀作用引起的应力超过材料的抗拉强度时，就会产生裂缝，形成渗水通道，加大渗水量，使下一个负温冻胀更为加剧。同时渗水在负温下会发生冻结而造成土体膨胀，局部膨胀使混凝土衬砌裂，隆起而折断。据祥符朱引黄灌区在灌区渠道上进行的试验，当最低气温为-12℃时，阴坡板以下20～25cm处地温为-6.7℃，处于冻结状态；且温度分布是边坡上下两端高中间低，所以裂缝多集中在坡板1/2左右范围内。

2.在冬季，混凝土衬砌板与渠床基土冻结成一体，共同承受着冻结力、冻胀力以及混凝土板本身收缩产生的拉应力，当这些应力大于混凝土板在低温下的极限应力时，板体就发生破坏、开裂。

3.在地下水位高于渠底的冻土地带，当混凝土与基土冻结在一起后，由于冻土出现裂缝，混凝土板亦可能因此而被拉裂。

4.在冬季，渠内存水并结成较厚冰层的情况下，冰面附近渠坡含水量较高，水分补给充分，冻胀量较大，但混凝土衬砌板的冻胀上抬受到冰层一侧的限制，因而可能在冰缘线处受弯出现裂缝或折断。

（二）温度应力：由于渠道本身的凹槽形式和坡面走向不同，造成了断面上各部位的日照、风情和表面温度状况有很大差别。当混凝土板块较大，不能适应温度收缩变形时，将会由于温度应力造成纵向和横向的裂缝。根据工作中观察，南北走向的渠道，阴阳两坡受日照、风情等影响因素基本相同，因此两坡的裂缝规律基本一致；但东西走向的渠道，阴阳两坡受日照因素的影响，断面上各点的温差较大。东西走向的渠道在冬季，断面上各点的冻结深度和冻胀量很不均匀，阴阳两坡由于受冻深和冻胀量差别的影响，裂缝情况差别较大，阴坡较阳坡更容易破坏，裂缝渗水情况相对严重；在夏季不行水时，混凝土板面一日之内温差较大。据祥符朱引黄灌区在三干渠段试验记录，当气温从20℃增高到40℃时，混凝土板面（阳坡）温度由23.5℃增长到58℃，温差达34℃左右（板下层22℃）。综上所述，温度应力是混凝土现浇渠道的一个重要的破坏因素。

（三）基础沉陷：在不同地区由于土质不同，基土滑移、基础沉降等也是导致渠道混凝土板裂缝的重要原因。当地质滑动拉力超过混凝土抗拉强度时就会产生拉裂，高填方地段基土沉陷使衬砌板架空、断裂。祥符朱引黄灌区三干渠8km现浇混凝土衬砌渠道这种现象较为明显。

（四）设计施工方面的原因：设计方面主要是结构形式及防冻措施不科学，抵抗变形差。施工方面：一是水灰比控制不好，由于运距长，混凝土尺寸小，沿途水分蒸发渗漏，导致入仓混凝土水灰比过小或过大，过小难振捣不密实，过大振捣中易出现塌落裂缝；二是坡板施工时，滑模长度不够，上部振捣引起下部塌落裂缝，如水灰比过大，更易发生裂缝；三是改造渠道在停水间隙施工，刚一停水就施工，基础土含水率大，夯填不密实，加大了冻胀应力，必然产生纵向裂缝，特别易发生在坡脚附近；四是对撒落混凝土料不回拌合机重新拌合，直接入仓不能保证混凝土板的有效厚度，抗局部应力差，导致裂缝。

四、减少裂缝的防治对策

（一）从设计方面优化断面结构

1.按渠道流量确定设计断面结构。对于设计流量＞9.0m3/s的大中型渠道，选择弧形坡脚梯形断面或梯形断面；渠道设计流量在3～9.0m3/s时，选择弧形坡脚梯形断面或弧底梯形断面；渠道设计流量在1～3m3/s时，选择弧底梯形断面或“U”型断面；渠道设计流量＜1.0m3/s时，选择“U”型断面。

2.根据需要增设防渗（隔水）、排水设施。如采用混凝土板下铺设塑料薄膜或复合土工布的板膜复合防渗结构，并在坡板顶加设封顶板，防止渠水、雨水灌入，加强排水，降低地下水位等。

3.现浇混凝土板采用肋形板、楔形板或中间加厚板。

4.现浇混凝土渠道应每隔5m设一道横向伸缩缝和纵向伸缩缝，缝宽不宜＜2cm，缝内填塞沥青油膏或聚氯乙烯等能适应结构变形、粘结力强、防渗性能好的填料灌实。

5.对于冻土和淤泥基础应进行换土处理，基土压实系数≥0.95。

（二）通过调整混凝土配比，添加粉煤灰、减水剂、引气剂等改善混凝土性能，提高自身抵抗外界环境危害因素的能力。工程实践证明，由于“粉煤灰效应”，粉煤灰混凝土的密实度、最大抗压强度、抗弯与抗拉强度、收缩性、抗渗性均好于普通混凝土，并且可节约水泥，减少工程投资15%。

（三）采用预制装配法衬砌渠道。随着填缝材料性能的不断提高完善，预制装配方案愈受重视；预制装配法的优点是受气候条件的影响小，混凝土质量容易保证，可以工厂化生产，特别是在已成的渠道上施工，能减少施工与行水的矛盾。

（四）加强施工质量监督和运行管理。高标准的施工是实现完美设计的唯一途径；科学的管理是延长渠道使用寿命的重要法宝，要尽早发现裂缝，并在裂缝早期采取补强措施，以防事态扩大。在灌区工程管理中要本着“以防为主，防重于修，修重于抢”的原则，加强运行管理，确保渠道的安全运行。